本科毕业论文---机械设计制造及其自动化(1).doc

毕业设计（论文）

中文题目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法

学 院：远程与继续教育学院
专 业：机械设计制造及其自动化
姓 名： 安立杰
学 号： 06611789
指导教师： 林桂清
20 09年 11月 10日

１

北京交通大学
毕业设计(论文)成绩评议
年级
07秋
层次
本科
专业
机械设计制造及其自动化
姓名
安立杰
题目
对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法
指
导
教
师
评
阅
意
见
成绩评定： 指导教师：
年 月 日
评
阅
教
师
意
见
评阅教师：
年 月 日
答
辩
小
组
意
见
答辩小组负责人：
年 月 日
北京交通大学
毕业设计(论文)任务书

本任务书下达给： 07秋 级 本 科 机械自动化 专业学生 安立杰
设计（论文）题目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法
一、设计（论述）内容：
柴油机净化的关键是如何有效地消除NO和微粒碳烟的生成量。本文应从喷油系统出发，提出改进排放的切实可行的方法，具有明显的现实意义。通过对铁路内燃机车的了解，正确分析现阶段我国铁路内燃机车的现状并提出控制柴油机排放的具体措施。
二、基本要求：
从喷油系统出发，提出改进排放的切实可行的方法，借鉴各国发展内燃机车的情况和自身实践经验，开展理论结合实际的研究。
三、重点研究的问题：
结合铁路内燃机车的现状，提出对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法总体思路，将其重点研究的方案集中在控制柴油机排放的具体措施上。
四、主要技术指标：
1．论文题目一般不超过25个字，要简练准确，可分二行书写；
2．开题报告 由学生认真书写，经指导教师签字后的开题报告有效；
3．摘 要 中文摘要字数应在400字左右，包括论文题目、论文搞要、关键词(3至5个)，英文摘要与中文摘要内容要相对应；
4．目 录 按三级标题编写，要求层次清晰，且要与正文标题一致，主要包括摘要、正文主要层次标题、参考文献、附录等；
5． 正 文 论文正文包括绪论(或前言、慨述等)、论文主体、结论。工科论文要求符合科技论文格式，正文文字应在15000字以上；
6．参考文献 必须是学生本人真正阅读过的，以近期发表的杂志类文献为主，图书类文献不能过多，且要与论文工作直接相关。
7．附 录 含外文复印件及外文译文、有关图纸、计算机源程序，如果安排有毕业实习，需提供毕业实习报告等。

五、其他要说明的问题

论文要用统一的毕业论文用纸，用中文打印（B5）或手写。手写每页20行，每行20－22字，用黑或蓝黑墨水工整书写；打印正文用宋或楷体小四号字，版面上空2.5cm，下空2cm，左右空2cm(靠装订线一侧增加0.5cm空白用于装订)。
对字体和字号的要求如下：题目用一号(分两行书写时用小一号)黑体字；第一层次(一)题序和标题用小二号黑体字，题序和标题之间空两字，不加标点，下同；第二层次(（一)）题序和标题用小三号黑体字；第三层次(1)题序和标题用四号黑体字；第四层次(（1）)题序和标题用小四号黑体字；第五层次以下标题和题序与第四层次同。

下达任务日期：2009年7　月23日
要求完成日期：2009年11月 10日
答辩日期： 2009年11月 28日
指导教师：林桂清

开 题 报 告
题 目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法
报告人：安立杰 2009年08月25日
一、文献综述：
柴油机净化的关键是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。文章从结构系统出发，提出了改进排放的切实可行的方法，具有明显的现实意义。柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程，而这些归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工作特质的配合所决定的。

二、选题的目的和意义
柴油机净化的关键，是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。恰恰这两项排放物的生成规律常常是互相矛盾的。因此，任何一个单项措施总有它的负面影响。人们总是在采取某项措施的同时，应用另一项措施来加以补救和平衡。最后，常常是多项措施的综合应用，才使排放性能达到一个新的水平。柴油机是一个多性能、多工况、多因素综合影响的统一体，再加上各种各样的排放净化措施，如何进行优选、折中和综合控制是一个极为困难和复杂的问题。柴油机的电子控制和综合管理是有效解决这一问题的最佳途径，也是使各种机内净化措施得以充分发挥效用的保证。在所有净化措施中，喷油系统的改进无疑是最为重要的环节。
三、研究方案：
车用柴油机中常用的机械燃油喷射系统有两大类，直列泵系统和转子分配泵系统。直列泵系统包括直列多缸泵、单体泵和泵喷嘴系统，多用于大、中型车用柴油机上。转子分配泵系统有端面凸轮驱动的VE泵系统，和内凸轮驱动的径向对置柱塞系统，多用于轻型客车和柴油轿车的小型高速柴油机上。上述各系统都是应用柱塞往复运动、脉动供油的方式工作。总结出五种控制柴油机排放的具体措施。
四、进度计划：
8月27日－9月15日
分析题目，查阅资料，学习与毕业设计相关的知识，作好前期准备工作。
9月16日－10月10日
划分论点，进行方案论证，撰写论文。
10月11日－11月10日
划分论点，进行方案论证，撰写论文撰写毕业论文并征求导师意见，修改毕业论文，进行毕业论文的评议。

五、指导教师意见：
题目符合当前铁路的发展要求，研究方案可行，进度安排合理，可以进行下一步工作。
指导教师：林桂清

2009年 8 月 25 日

中期报告
题目：对柴油机喷油系统排放控制技术切实可行的改进方法
报告人：机械设计制造及其自动化 安立杰
一、总体设计
柴油机净化的关键是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。文章从结构，燃油系统出发，提出了改进排放的五种切实可行的方法，具有明显的现实意义。柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程，而这些归根到底是由喷油、气流、燃烧系统以及缸内工作特质的配合所决定的。
二、基本框架
1.排放污染及危害
2.柴油机有害排放的形成机理
3.影响柴油机有害排放的因素
4.柴油机排放控制
三、进展情况
已经完成推迟喷油提前角降低NOχ排放燃油高压喷射降低微粒碳烟排放这一部分，其他部分还不能汇总，资料搜集不齐，只有个别部分成形，后面还需继续努力。
四、 指导教师意见
论文按照进度计划进行，确定的整体思路符合任务书的要求，框架结构合理，可以进行论文的撰写工作。

结 题 验 收
一、完成日期
2009年11月10日
二、完成质量
论文基本上符合要求，结构较完整，层次较清楚。能运用所学专业理论知识结合铁路企业特点完成论文，具有一定的分析问题解决问题的能力。
三、存在问题
如能多增加实际运用中具体案例说明问题会更好。
四、结论
毕业论文进行过程中，态度较认真，基本按照任务书的要求查找资料，总结现场存在的问题，并能够与老师联系、沟通。按时完成了开题报告、中期报告、初稿的写作，并对初稿进行了反复修改，基本上达到了论文的写作要求。经检查可以结题。

中 文 摘 要

摘要：通过研讨内燃机有害排放物的形成机理、有害排放物的危害、有害排放物的影响因素、柴油机排放的控制措施，较好地反映了柴油机排放控制技术的最新发展和目前采用的新技术、新方法.实用性强。主要从喷油系统出发，提出改进排放的切实可行的方法，有效地消除NOX和微粒碳烟的生成量。柴油机净化的关键是如何有效地消除NOχ和微粒碳烟的生成量。文章从喷油系统出发，提出了改进排放的五种切实可行的方法，具有明显的现实意义。

关键词：柴油机；排放控制；措施

English Abstract

Abstract: Harmful emissions from internal combustion engines through the discussion of the formation mechanism of the hazards of harmful emissions, harmful emissions factors, diesel emission control measures, better reflects the diesel emission control technology, the latest developments and the current adoption of new technologies, new methods . practicability. Mainly from the fuel injection system, this paper proposes practical ways to improve emissions, effectively eliminating NOX and particulate soot generation. Clean diesel engine The key is how to effectively eliminate NOχ and particulate soot generation. Article from the starting fuel injection system is proposed to improve emissions, five kinds of practical ways, with obvious practical significance.
Key words: diesel engine,exhausting control

目 录
中文摘要...........................................
引言...............................................1
第一章 排放污染及危害.............................2
1.1 发动机的废气成分.....................................2
1.2 有害排放的危害.......................................3
第二章 柴油机有害排放的形成机理...................6
2.1 CO的形成............................................6
2.2 HC的形成............................................6
2.3 NOX的形成............................................8
2.4 微粒.................................................8
2.5 臭味的生成...........................................12
第三章 影响柴油机有害排放的因素..................14
3.1 燃料 ................................................14
3.2 喷油正时.............................................14
3.3 喷油系统.............................................16
3.4 燃烧方式和燃烧室形状.................................18
3.5 气流组织和多气门技术.................................21
3.6 增压对排放的影响.....................................21
3.7 过量空气系数对排放的影响.............................21
3.8 柴油机的排放特性.....................................23
第四章 柴油机排放控制............................24
4.1 燃烧方式和燃烧室形状.................................24
4.2 喷油系统.............................................35
4.3 柴油机电控燃抽喷射系统...............................42
第五章 总结.......................................47
参考文献...........................................4
引 言
内燃机经过100多年的不断改进.已经成为一种热效率高、功率大、使用寿命长、工作可靠,操价方便、价格低廉的产品。目前为止尽管对其他新型动力装置进行了许多开发研究丁作井取得了很大进展，应用上也做了不少工作，但在比质量、比体积、可靠性、,可控性、价格和寿命力面还存在许多问题，在短期内还难以与内燃机相比。但内燃机尤其是车用内燃机废气排放中的有害物质对环境造成的污染也越来越严重.对人类的健康和动植物的生长构成了严重威胁。在大城市.车用内燃机的废气排放是大气污染的主要污染源之一。为保护环境，维护人类的生存环境世界各国都采取措施，制定了日益严格的限制内燃机排故的法规和限制标准。为了达到排放的要求.采用了一系列的新方法、新技术和新借施.
通过学习柴油机各种排放物的危害，研讨内燃机有害排放物的形成机理、有害排放物的影响因素、柴油机排放的控制措施，较好地反映了柴油机排放控制技术的最新发展和目前采用的新技术、新方法.实用性强。从喷油系，统燃烧系统，电控共轨技术出发，提出改进排放的切实可行的方法，有效地消除NOX和微粒碳烟的生成量。

第一章 排放污染及危害

1.1 发动机的废气成分

发动机的废气主要是N2,C02，有害排放主要是指CO,HC和NOx(通常指N02及NOX),发动机的废气成分及废气中有害排放的份额见图1-1----图1-4。汽油机的废气中.N2占72%.C02占17%.02及其他古9.36%:有害排放占1 .64%。

汽油机废气的有害排放中，CO占85%;HC占5 % ; NOx占8%;其他占2%。柴油机的废气中N2占75.2% ; C02占7.1% ;O2及其他占16.88%;有害排放占0.82%。

柴油机废气的有害排放中，CO占35.4%; HC占&54%;NOx占35.4%;其他占20.66%。
由上面的图可以看出，汽油机的废气所占的比例(占1.64%)比柴油机大(占0.82%)，但是由于柴油机的过量空气系数(1.2一2.2)比汽油机的过量空气系数(0.8一1.2)大，柴油机的废气总量比汽油机大。在废气的有害排放中，汽油机主要是CO(占85%),氮氧化物含量很少(占8%);而在柴油机中，Co的含量比汽油机少( 34.5%)，但是氮氧化物比汽油机多得多(占35.4%).

1.2 有害排放的危害
1.2.1 CO的危害

CO是不完全燃烧的产物，是一种无色、无刺激、无味的气体。CO与血液，扫血红蛋白的亲和力足与氧的亲和力的300倍，人休吸人后，会在血液中取代氧而形成牢固的血红蛋自、影响氧气输送。人体吸人CO后，会由于缺氧会感到疲劳，引起头晕、恶心等中毒症状，甚至导致窒息死l大气中各种浓度的CO的毒害见表1-1;

CO的另一种危害是促使NO向NO2转化，使光化学烟雾增加。
城市大气中的大部分CO是汽车排放的，CO是汽车排气中浓度较高的有害成分，CO在大气低层停留的时间较长，泉计值常常超过允许值，应特别引起注意。
1.2.2 HC的危害
由第一章可知，燃油由各种碳氢化合物形成的烃类物质组成。大部分烃类化合物对人体健康无直接的影响。HC是燃烧后生成的多种碳氢化合物的总称，其中含有少量醛类(甲醛和内烯醒)和芳香烃〔最后组成苯丙花)。每种化合物的量很少、但其共同作用十分明显甲醛、丙烯醒具有强烈气味，对鼻、眼呼吸道的粘膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎等。苯丙花是一种致癌物质。汽车密集的城市癌症和发病率比汽车排污少的地区高得多。此外，碳氢化合物与氮牡化物发生光化学反应会形成化学烟雾。
1.2.3 NOx的危害
氮氧化物主要是-氧化氮和二氧化氮。
NO是一种无色无味的气体，毒性不大，在空气中能生成NO2，但高浓度的NO对血液有毒性作用.能使神有NO，NO2，N2O3，N2O，N2O4，NO3统称为NOx汽车排气中排出的经麻痹，使中枢神经瘫痪及痉挛
NO2是一种红棕色气体，有强烈的刺激性气味，是汽车排气中恶臭物质成分之一、被吸人肺部时，能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸有刺激作用，严重时会引起肺气肿。在强烈阳光下会发生光化学反应，形成二次污染。
1.2.4 光化学烟雾的危害

HC和NOx混合在一起，在强烈阳光照射下会产生一系列复杂的光化学反应，产生臭氧和各种化合物。臭氧(O3)具有很强的氧化性和毒性，如果空气中O3的深度为5X10-5以上，人在1h内就会死亡，化合物中含有甲醛、丙稀醛、硫酸等，这些化合物会产生毒性较大的饯蓝色烟雾，即光化学烟雾。光化学烟雾会阻碍视线，刺激眼睛，引起咳嗽，并能致癌使植物枯萎，并会使受应力的橡胶件开裂。
1.2.5 硫化物的危害
在有害排放物中，还有燃油中硫分燃烧后生成的硫化物，主要是SO2它是无色气体，有强烈气味，有很强的腐蚀性，会刺激呼吸系统粘膜，引起喉管发炎。SO2氧化后生成SO3,SO3与空气中的水发生作用会生成硫酸，随雨雪降落形成酸雨、酸雾，腐恤建筑物、车身，造成土壤酸化，破坏农作物与森林，影响自然界的生态平衡。
硫化物对催化装置也有危害，少量的SO2吸附在催化剂表面会使催化剂劣化，导致催化剂更换次数增加。
1.2.6 碳烟的危害
碳烟是因为排气中含有碳粒所致。碳粒是指排气中的固体及液体的凝结物。一般认为，碳烟本身无毒，但碳粒常夹附有吸及其他碳氢化合物，如致癌的多环芳香烃、苯丙花等。不同直径的碳粒对人休的影响不同，如表1-2所示。碳粒的颗粒越小，在空气中悬浮的时间越长，最小的颗粒可在空气中悬浮达一周以上，这就增加了这些颗粒与人体接触的机会。
另外，碳烟沉淀后呈黑色，使环境的清洁度变差。

与柴油相比，汽油机排出的碳粒很少，只有柴油机的1/20--1/50。

第二章 柴油机有害排放的形成机理

柴油机的有害排放包括CO,HC,NOx和硫化物及微粒。

2.1 CO的生成

CO的生成主要是由于燃烧时缺氧所致，对于柴油机来说，其主要原因是局部缺氧。
柴油机排放的CO是燃料姗烧的中间产物。当燃烧继续进行时，CO与O2及氧化物再化合生成CO2;再化合时缺乏O2或氧化物，或燃烧温度低、滞留时间短、不能完全化合，将产生CO。CO的形成与碳烟极为相似，都与有效氧含量有关，结果使柴油机中CO浓度的变化也大致与碳烟成比例。
柴油机在小负荷运行时，由于燃油温度低且氧化反应弱,CO的排放量较低。当过量空气系数超过一定界限时，不管温度是否增加，由于O2的浓度低和反应时间短，再化合反应会减少，随柴油机负荷的增加，CO的排放量增加。
怠速时，工作温度低，喷油速度慢，喷雾质量差.燃烧不完全.CO排放高。CO排放在某一转速时最低，当转速增加或减少时，其排放浓度均增加。对于一定的喷油提前角来说，只存在一个最佳转速，在此转速下，燃料燃烧完全，CO浓度较低。
柴油机的平均过量空气系数大于1, CO的排放量要比汽油机小得多，只有在负荷很大，接近Si烟界限时，才急剧增加。

2.2 HC的生成

柴油机排放中的HC是由原始燃料分解的燃油分子.或者是由重新化合的中间化合物.如醛、醇、酚等组成。
由于柴油机是喷油压燃，燃油在燃烧室中的停留时间比汽油机短得多，因而受冷激效应、狭隙效应、油膜吸附、沉积物吸附作用很小。这是柴油机的HC排放较低的主要原因。
柴油机燃烧室中由喷油器喷入的柴油与空气混合所形成的混合气可能太稀或太浓.使柴油不能自燃或火焰不能传播。如在喷油初期的滞燃期内，可能因油气混合太快而使混合气过稀，产生未燃烧的HC。而在喷油后期的高温燃气中，可能因油气混合不足使混合气过浓，或由于燃烧淬熄产生不完全燃烧产物随排气排出，但此时较重的HC多被碳烟微粒所吸附，构成微粒的一部分。
柴油机HC的生成量、种类与柴油随负荷的增加、燃空比(F/A二混合气中的燃料质量kg/空气质量kg)的增加而增加。当负荷变化时，喷油量改变，而喷油量的变化会引起喷柱燃油的分布状况、沉积在上面的油量、气缸燃油压力和温度以及喷柱持续时间的变化(图2-1)在怠速和极小负荷情况下，喷油集中在心部，贫油火焰外围区温度低。
化合速度慢，易产生未燃烧的烃,HC的排放量很高如图34所示，在喷柱的外缘，由于混合过度而造成混合气过稀而不能发火或维持燃烧，这一区域叫负汕火焰州围区，随柴油机负荷增加，未燃烧的烃随温度的升高而被氧化，未燃烧的烃的排放量下降。因此，柴油机在怠速或小负荷运转时的HC排放量，高于全负荷工况。但当温度于分高时，由于某些原始燃料分子分解，在烃基和中间化合物之间发生再化合反应的可能性增大此时HC排出物中，较重的HC组分增多。

喷油结束后，喷油器的残油腔容积(指喷油器嘴部针阀下游的压力室容积及各喷油孔通道的容积)仍充满柴油。这部分柴油在燃烧后期和膨胀初期有部分被汽化，并以液态或气态低速穿过喷嘴孔进人气缸，缓慢地与空气混合，从而错过主燃期研究证明，残油腔容积中的柴油大约有五分之一左右以未燃烧的HC形式排出，这是因为一部分较重的HC仍留在喷嘴中，而有些离开的柴油则发生了氧化(后燃)。
与汽油机一样，火焰在壁面上淬熄也是柴抽机HC排放的一个来源，它取决于柴油喷柱与燃烧室壁面的碰植情况。采用油膜蒸发混合的柴油机，尽管在特定工况下有较好的性能但在冷起动时，有大量未燃的HC以微粒状排出，排气冒白烟，因此已基本被淘汰。

2.3 NOX的生成

同汽油机一样，柴油机排放中的NOx是在燃烧过程中，原子氧和氮在高温高压下化合的结果柴油机排放的NOx中主要是NO. NO排人大气后又氧化为NO2。负荷增加时，燃空比增加,NOX浓度也增加。而当NOx浓度达到最大值后，再增加燃空比，NOX浓度反而下降。这是因为当燃空比随负荷增加而增加时.温度上升.N0X的浓度上升;而达到最大NOX排放浓度时.即使燃空比增加.温度已不是决定因索，此时NOx浓度取决于氧的浓度。因此燃空比增加，氧的浓度减少，反而使NOx的浓度下降。
试验表明，直喷式柴油机NO浓度在中速时达到最大;预燃式柴油机在高速时NO浓度有所升高。 即柴油机的负荷、转速直接影响NOx的排放量。

2.4 微粒

所谓微粒，主要是固体颗粒是指一切在接近大气条件下存在于燃烧废气中的分散颗粒。按美国标准(EPA)定义为:在废气温度最高为520C,井在空气稀释的情况下，用特伏龙涂层的过滤器收集到的废气中的物质。
内燃机排放中的微粒主要是碳(约75%)以及沉淀下来的高沸点碳氢化合物(裂解及合成产物)和硫等无机产物。微粒的直径很小，约有85%的小于0.3微米。
汽油机中，含铅汽油中的铅及汽油中含有的硫所生成的硫酸盐，是排放中微粒的主要成分。使用含铅汽油时，排放的微粒中，有一半左右是铅，如果使用无铅汽油，H汽油的含硫量一般很低，一般认为汽油机基本上不排放微粒。

2.4.1 液体微粒(白烟和蓝烟)

自烟和蓝烟都含有类似油状物质的液体微教。
白烟含有直径为1. 3微米左右的液体微粒，一般在寒冷季节、冷起动和怠速工况时产生。此时气缸中的温度较低着火不良，燃油不能完全燃烧，未燃燃油和润滑油以液滴状排人大气形成白烟。当气缸磨损后，窜气、窜油现象增加，白烟也增多。一旦柴油机正常运转，温度升高，白烟也随之消失。
蓝烟是燃油未燃烧或部分燃烧，以及处于热分解状态的燃油和窜人缸内而又未燃烧的润滑油微粒，其颗粒直径比白姻的小，在0.4微米以下。它是在柴油机尚未预热或低负荷运转工况下，燃烧室温度较低，燃烧条件不良所产生的。
白烟和蓝烟在成分上没有什么不同，只是由于微粒直径不同，在光散射作用下产生不同的颜色而已。在排出白烟和蓝烟的同时有不完全燃烧的中间产物---醛，因此还伴有对眼、鼻、喉有强烈刺激性的臭味。

2.4.2 固体微粒(碳烟)

柴油机排出的固体微粒主要是比重大、顺粒细微的碳粒。这些碳粒的最小单元为片晶，片晶是约有90个碳原子按六方晶系排列的碳原子团。一定数量的片晶(一般为2一5个，但也有高达20个)按层状堆积成多孔的微晶体，其直径为17A0 - 300A,碳粒子就是由这样的片晶按方向随排列聚结而成。常见的徽粒直径在500A一5000A,但也可能低至200A和高达60000A。
此外有凝聚和吸附在碳粒表面的有机物。这些有机物在一定温度下能够挥发，且大部分可以溶于有机溶剂而得到有机溶剂萃取物(可溶性有机物)。可溶性有机物在顺粒中的含量变化范围很广，有的为9%---15%，也有的高达90%，其实际含量决定于燃油的性质、柴油机的类型和运转工况等。可溶性有机物的成分包含有多环芳香族碳氢化合物、部分氧化物和未燃烧的燃料。还含有不可溶的有机物(如乙醒和乙烷)无机物成分(含破黑和磨损物质)。
碳烟是柴油机的一种有代表性的排放物，它是限制柴油机最大输出功率和排气污染物的重要因素。
碳烟的生成条件是高温和缺氧。柴油机尽管总体上是富氧燃烧，但燃料和空气的混合极不均匀而导致局部缺氧最易形成碳烟。
碳烟的生成机理的论述主要有三种:(1)燃料分子以脱氧的形式发生分解生成碳微粒而凝集固体碳;(2)认为火焰在最初有些燃料分子聚合成大的分子或油滴，它们起脱氧反应而变成碳粒了;(3)认为在高温火焰下，能产生部分分解及脱氧反应的一些中间生成物，而这些中间产物边聚合边进一步脱氧.逐渐变成固体碳粒。现在多数人认为第三种论述较能正确解释碳粒的形成。一般认为碳烟的形成过程如下:在高温(2 OOOK一3 000 K )缺氧区，燃油中的烃分子发声氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类(如乙烯、乙炔及其较高的同系物和多环芳香烃)，它们不断脱氧、产生较小分子量的物质，后期聚合为以碳为主的直径在2nm左右的碳烟核心。而在燃烧室壁面等无火焰的低温区，则通过聚合和环化与氢化过程，生成凝结的芳香族碳氮化合物，再成大分子量的物质，最后也生成碳粒。这两个途径常常是相互交叉进行的(图2-2)：

气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚，以及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大、成为20nm一30nm的碳烟基元。最后碳烟基元经聚集作用堆积成直径1微米以下的球状或链状的聚集物。
在低温条件下、芳香烃或多环化合物是形成碳烟的初始粒子。高温条件下的乙炔火焰对碳烟生成具有很强的诱发力。聚乙炔的最大浓度几乎与最初出现的碳粒成线性关系〔而作为高温下链反应基本环节的聚合不饱和烃基(由150-600个原子团组成，每个原子团约有l2-20个碳原子)的存在，是形成碳原子的重要特征;芳香烃化合物的浓度随碳烟深度的增大而增大。由于在柴油机中碳烟生成的有效时间最短一般只有4ms--10ms,所以碳烟排出的最终速度是碳烟形成速度与燃烧速度之差。
图2-3表示一些碳氢化合物如乙烯、丙烷、甲苯等在实验室条件下预棍合火焰中生成碳烟的温度和过量空气系数条件。组成柴油的各种烃生成碳烟的条件基本上也都在这个范围内由图可见，碳烟生成数量随过最空气系数的降低增加。温度对碳烟生成数量的影响，则在1600K - 1700K之间达到最大值。压力对碳烟生成的条件影响很小但碳烟生成数量随压力的升高而增加。
图2-4表示了柴油机碳烟生成的温度和空气系数条件，以及柴油机上止点附近各种过量空气系数的混合气在燃烧前后的温度。当过量空气系数小于0.5时，燃烧后必定产生碳烟。在图2-4a)的右上角也标明了各种温度和过量空气系数下燃烧0.5ms后的NOx含量。要使燃烧后碳烟和NOX很少，混合气的过量空气系数应在0.6-0.9之间。空气过多则NOx增加，过少则碳烟增加。
柴油机混合气在预棍合燃烧中的状态变化见图2-4a)上的箭头方向。在预棍合燃烧中，由于燃油分布不均匀既生成碳烟，也生成NO,、只有少部分燃油在过量空气系数在0.6--0.9之间不产生碳烟和NOX。所以，为降低柴油机的污染物排放、应缩短滞燃期和控制滞燃期内的喷油量，应使混合气的过量空气系数控制在0.60.6一0.9之间。
扩散燃烧中混合气的状态变化见图2-4b)上的箭头方向_曲线上的数字表明燃油进人气缸时所直接接触的缸内混合气的过量空气系数。从图上可看出，喷人过量空气系数小于0.4的混合气区的燃油都会生成碳烟、在温度低干碳烟生成温度的过浓混合气中，将生成不完全燃烧的液态HC。为减少扩散燃烧中生成的碳烟应避免燃油与高温缺氧的燃气混合。强烈的气流运动、燃油的高压喷射都有助于燃油与空气的混合。混合结束后，燃油和空气进一步混合，其状态变化如图2-4b）上的虚线所示：

在燃烧过程中，已生成的碳烟也同时被氧化图2-4b右上角表示了青径0.04微米的碳烟粒了在各种温度和过量空气系数条件下被完全氧化所需要的时间t。这种碳烟在0.4ms--1.0ms之间被氧化的条件与图3-7a的右上角大量生成NOX的条件基本相同。可见，加速碳烟氧化的措施，往往带来NOx的增加。因此为了同时降低NOX的排放，控制碳烟排放应着重控制碳烟的生成。

2.4.3硫磺颗粒

柴油中的硫，在燃烧后生成硫酸盐或其他硫酸化合物，如硫酸氨，沉淀下来或与磨损物、添加剂生成的金属盐.也可能沉淀在碳粒上。1L含硫15%的柴油，燃烧后最多能生成2.6g的SO2(气态)和l0g的硫酸盐如水(颗粒状)。

2.5 臭味的生成

排气中的臭味由多种成分组成，除O2和NO2而外，主要就是不完全燃烧产物。柴油机特有的排气味道的主要成分是HC。排气臭味有两种:一种是由几种芳香族碳氢化合物如烷基苯、烷基蔡所引起的煤油味另一种是由部分氧化的碳氢化合物造成的焦油味。此外，SO2也有臭味。
臭味的强度与转速没有明显的关系，随负荷的增加而增强。由于臭味主要是由燃油燃烧的中间产物引起的，与燃料的组成有关，如燃料中芳香烃增加，排气中的甲醛略有减少;而芳醛稍许增加，臭气就可适当减少，但却增加了更易产生光化学烟雾的芳烃。因此，最有希望减少排气臭味的措施是降低柴油机的HC排放。

第三章 影响柴油机有害排放因素

影响柴油机排放的因素除了运行因素(负荷、转速)外.还与下列因素有关。

3.1 燃料

当燃料的十六烷值相同时，芳香烃嫩料比烷烃燃料更易生成碳烟。这是因为碳烟是在燃料高温时缺氧脱氢的缘故。芳香烃特别是高沸点的双环芳香烃在高温缺氧区容易发生脱氧反应，也就容易生成碳烟。如果燃料中重馏分和芳香烃成分增多，排烟量也就增加。
提高燃料的十六烷值会使燃料的稳定性下降燃烧过程中易于裂解，使着火延迟期缩短，在高温火焰中直接接触液态燃料的机会增多，从而加快脱氧反应，使碳的形成速率增高，排气烟度增加。
十六烷值较高的燃料，着火延迟时间缩短，燃烧比较柔和，其NO生成量较低(图3-1)。当十六烷值由40提高到50时，NOx可下降11%。
十六烷值低的燃料，着火延迟期较长，在循环早期燃烧时，能产生较高温度的燃气，使稀火焰区的NO排放增多，从而使NOX的排放增加。降低燃料的十六烷值还会使柴油机的工作粗暴，发火性下降，导致低负荷时蓝烟增加。
另外，在燃料中加入添加剂，特别是加入可溶性的含有钡族类金属类添加利，可有效抑制碳烟的生成。
柴油里硫的含量越高，生成的固体微粒(微粒中的20% -30%来自燃料中的硫化物)就越多，柴油中的S有1%一2%转化为硫酸盐，其余的则以SO2排出，而SO2也是重要的污染物。

3.2 喷油正时(喷油提前角)

改变喷油正时.直接影响嫩烧始点，对排气质量的影响很大。延迟喷油，可以减少NOx的排放，但太迟的喷油会导致CO排放的增加。当喷油提前角比设定值提前10CA(曲轴转角〕，NOX排放将提高约15%(图3-2)。

对直喷式柴油机来说，在其他参数不变的情况下，加大喷油提前角，使滞燃期增长更多的燃料在着火前喷入混合，加快了燃烧速度，燃烧过程结束较早，使排气温度下降。由于燃烧速度加快.使CO排放下降很多，但由于滞燃期延长，一方面有更多的燃油被空气带走，产生较宽的贫油火焰外围区;另一方面撞击到壁面上的燃油增加.使HC排放增加，但过早喷油会引起较人的燃烧噪声和较高就 NOX排放量。
延迟喷油(减小喷油提HU角)降低了初始放热率.使燃烧最高温度降低，着火延迟期缩短因而减少了NOX的生成量。但在直喷式柴油机中，必将引起柴油机的排烟量增大使柴油机的排烟量增大，柴油机的动力性和经济性下降。
图3-3是车用直喷式柴油机以着火始点代替供油始点作为变量的试验曲线。由图可知，当着火点由上止点前5O(曲轴转角)变为0时，烟度由1.5上升至2.1波许值(Bosch),CO含量增加了5%,HC含量下降约11%, NOX含量下降了36